太阳能电池基本特性测定

目前人类所消耗的能源的70％来自煤、石油、天然气等化石燃料，在现有技术条件下，化石能源的大量使用给地球环境造成了严重危害，使人类生存空间受到了极大的威胁。科学家预言，尽管化石燃料能源未来仍将占有相当大比重，但其一统天下的局面将逐渐结束（地球上２亿年形成的化石燃料，大体只够人类使用300余年），可再生的清洁能源可望撑起未来世界能源供给的半壁江山。

太阳能的利用和研究是21世纪新型能源开发的重点课题之一。太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子能量转换为电能。目前硅太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已应用于许多民用领域：如太阳能汽车、太阳能游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等。太阳能是一种清洁、“绿色”能源。因此，世界各国十分重视对太阳能电池的研究和利用。

一、实验目的

1、学习掌握硅光电池的工作原理。

2、学习掌握硅光电池的基本特性及其测试方法。

3、了解硅光电池的基本应用。

二、实验仪器

1.光功率计  2.测试仪  3.光源  4.光电二极管（用专用连接线与光功率计相连接）

5.样品架（用于放置光电二极管传感器，以及待测太阳能电池样品，含遮光罩）

6. 导轨  7.单晶硅样品    7.多晶硅样品

图1 太阳能电池特性测试仪

1、太阳能电池:单晶硅和多晶硅各1块：60×60mm²，有效面积50×45mm²，开路电压不低于4V，闭路电流不小于15mA；2、光功率计:三位半数显，量程200uw、2mw和20mW三档，数字按键档位切换；光功率计传感器采用高灵敏度光电二极管；3、精密电阻负载：0～99999.9Ω；4、测试仪:电压表：2.000V和20.00V两档；电流表：2.000mA和200.0mA两档；0-5V可调直流电源，带限流输出功能；5、光源功率：100W；6、导轨：长75cm；

三、实验原理

太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压U与通过电流I的关系式为：

                 (1)

(1)式中，Ｉ为通过二极管的电流，和是常数，为反向饱和电流。

由半导体理论，二极管主要是由能隙为E_C－E_V的半导体构成，如图2所示。E_C为半导体电带，E_V为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。

 

假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻R_Sh与一个电阻R_S所组成，如图3所示。

图3中，I_Ph为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，I_d为光照时,通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得：

　 　　(2)

（2）式中，I为太阳能电池的输出电流，U为输出电压。由（1）式可得，

　　  　　(3)

假定R_Sh=∞和R_S=0，太阳能电池可简化为图4所示电路。这里，。在短路时，U＝0，；而在开路时，I＝0，；所以

　　　　　(4)

（4）式即为在R_Sh=∞和R_S=0的情况下，太阳能电池的开路电压U_OC和短路电流I_SC的关系式。其中U_OC为开路电压，I_SC为短路电流，而、是常数。

当太阳能电池接上负载时，负载R从零变到无穷大的过程中，使太阳能电

池达到最大输出功率 时，式中和分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将与和的乘积之比定义为填充因子，

          (5)

填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参, 越大则输出功率越高。

四、 实验内容与步骤

1、硅光电池伏安特性测量。

在没有光照（全暗，即用遮光罩罩住样品）的条件下，测量太阳能电池正

向偏压时的U－I特性（直流偏压从0～3.0V）。画出U-I曲线，求出和。

测量电路如图5所示，注意不要正负极性接错（D代表太阳能电池，R=1000Ω为负载电阻，ε为可调直流电压源）。正向偏压从0～3.0V条件下，测量结果记录在数据表格1中。

2、硅光电池负载特性测试。

在不加偏压时，用光源照射，保持白光源到太阳能电池距离20cm，测量电池在不同负载电阻下太阳能电池的输出I与输出电压U特性。测量结果记录在原始数据表格2中。

3、太阳能电池的光照效应与光电性质测量。

取太阳能电池与白光源水平距离20cm为起始位置，用光功率计测量该处的光功率P₀，光强度为标准强度J₀；改变太阳能电池到光源的距离X,用光功率计测量X处的光功率P，光强度为J，光的相对强度为J/ J₀，也即P/P₀，可以得到光功率P与位置X的关系。测量太阳能电池在不同光功率条件下对应应的I_SC和U_OC的值。测量结果记录在数据表格3中。

五、实验数据记录与处理

1. 硅光电池伏安特性测量。画出U-I曲线，利用最小二乘法求出和。

表1　全暗情况下太阳能电池在外加偏压U₁(V)时的伏安特性测量（R=1000Ω）

2. 硅光电池负载特性测试。

画出U－I曲线图,求出短路电流I_SC和开路电压U_OC；画出太阳能电池的输出功率P=U*I和电压U的关系，求出太阳能电池的最大输出功率P_max及相应电压；计算填充因子。

表2　光照情况下太阳能电池在加负载时的伏安特性测量

3. 太阳能电池的光照效应与光电性质测量。(1)描绘I_SC和光功率P之间的关系曲线，(2)描绘出U_OC和光功率P之间的关系曲线. 并利用最小二乘法拟合短路电流I_SC和开路电压U_OC 与光功率P关之间的近似函数关系式。

表3　太阳能电池的光电特性测量数据

 

第二篇：太阳能电池基本特性测定实验

太阳能电池基本特性测定实验

太阳能是一种新能源，对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。目前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。利用太阳能发电目前有两种方法，一是利用热能产生蒸气驱动发电机发电，二是太阳能电池。太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。 为此，我们尝试在普通物理实验中开设了太阳能电池的特性研究实验，介绍太阳能电池的电学性质和光学性质，并对两种性质进行测量。该实验作为一个综合设计性的普通物理实验，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值，能激发学生的学习兴趣。

【实验目的】

1. 无光照时，测量太阳能电池的伏安特性曲线

2. 测量太阳能电池的短路电流ISC、开路电压UOC、最大输出功率Pmax及填充因子FF

3. 测量太阳能电池的短路电流ISC、开路电压UOC与相对光强JJ0的关系，求出它们的近似函数关系。

【实验仪器】

光具座、滑块、白炽灯、太阳能电池、光功率计、遮光罩、电压表、电流表、电阻箱

【实验原理】

太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子的能量转化为电能。在没有光照时, 可将太阳能电池视为一个二极管,其正向偏压U与通过的电流I的关系为

qU?nKT??I=I0?e?1?? (1)

??

其中I0是二极管的反向饱和电流,n是理想二极管参数,理论值为1。K是玻尔兹曼常量,q为电子的电荷量,T为热力学温度。（可令β=q

）

由半导体理论知,二极管主要是由如图所示的能隙为EC?EV的半导体所构成。EC 为半导体导电带，EV为半导体价电带。 当入射光子能量大于能隙时，光子被半导体所吸收，并产生电子-空穴对。 电子-空穴对受到二极管内电场的影响而产生光生电动势，这一现象称为光伏效应。

光电流示意图

太阳能电池的基本技术参数除短路电流ISC和开路电压UOC外, 还有最大输出功率Pmax和填充因子FF。最大输出功率Pmax也就是IU的最大值。填充因子FF定义为

FF=Pmax

率越高。

SCUOC (2) FF是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。FF值越大,说明太阳能电池对光的利用

【实验内容及步骤】

1.在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池正向偏压时的I?U特性（直流偏压从0?3.0V）

（1）设计测量电路图，并连接。

图1

（2）利用测得的正向偏压时I?U关系数据，画出I?U曲线并求出常数β=q

和I0的值。

2.在不加偏压时，用白色光照射，测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到太阳能电池距离保持为20cm

（1）设计测量电路图，并连接。

图2

（2）测量电池在不同负载电阻下，I对U变化关系，画出I?U曲线图。

（3）求短路电流ISC和开路电压UOC。

（4）求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。

（5）计算填充因子FF=PmaxSCUOC

3.测量太阳能电池的光电效应与电光性质

在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白光源20CM水平距离光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度J0;改变太阳能电池到光源的距离，用光功率计测量该处的光照强度

求光强J与位置关系。测量太阳能电池接受到相对光强度JJ0不同值时，相应的ISC和J，

UOC的值。

（1） 设计测量电路图，并连接。

（2） 测量太阳能电池接受到相对光强度JJ0不同值时，相应的ISC和UOC的值。

（3） 描绘ISC和与相对光强JJ0之间的关系曲线，求ISC和与相对光强JJ0之间的近

似关系函数。

（4） 描绘UOC和与相对光强JJ0之间的关系曲线，求UOC和与相对光强JJ0之间的

近似关系函数。

【数据记录及处理】

1．全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性

U(V) I(?A)

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

U(V)

I(?A)

2.在不加偏压时，在使用遮光罩条件下，保持白光源到太阳能电池距离20CM，测量太阳能电池的输出电流对太阳能电池的输出电压的关系。太阳能电池在光照时，测量输出功率与负载电阻的关系。 I(mA)

U(V)

P(mW) R(K?)

3.测量太阳能电池ISC和UOC与相对光强JJ0的关系。

P(mW) R(K?) P(mW) R(K?)

【注意事项】

1. 连接电路时，保持太阳能电池无光照条件。

2. 避免太阳光照射太阳能电池。

3. 连接电路时，保持电源开关断开。

【思考题】

1. 设计电路，利用两节干电池，一个电压表，一个电阻箱来测量太阳能电池在全黑的条件下的伏安特性曲线。

2. 两个太阳能电池串联，测量它们的伏安特性曲线，填充因子。

3. 两个太阳能电池并联，测量它们的伏安特性曲线，填充因子。